一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，包括辅助喷丝板、导电电极、芯针和壳层输液通道，所述辅助喷丝板为带有一阶台阶且板面开有通孔的板，所述辅助喷丝板的通孔的出丝面处为二次曲面凹槽，所述导电电极置于所述辅助喷丝板的台阶上，所述导电电极与所述辅助喷丝板共同形成一个溶液腔；所述壳层输液通道插在所述导电电极中，且所述壳层输液通道与所述溶液腔连通；所述芯针固定于所述导电电极，所述芯针的一端插在所述辅助喷丝板的通孔中，且端头与所述辅助喷丝板的通孔凹槽底面齐平。其优点在于同轴复合针头的制备简单，便于批量化同轴纤维复合针头的制备，通过芯针的变换，可以制备出满足各方面需求的多功能复合纤维。
【专利说明】一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，特别是涉及一种适于同轴纤维的大批量及多功能复合纤维的生产的平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头。
【背景技术】
[0002]传统的静电纺丝设备都是使用单一的毛细管状喷丝头喷丝，因此通常用于制备实心且表面光滑的单一组分的纳米纤维。同轴电纺纤维将核层和壳层材料的溶液分装在两个不同的注射器中，喷丝系统则由两个同轴但内径不同的毛细管组成，在高压电场的作用下，外层液体流出后与核层液体汇合。由于汇合时间很短，加上聚合物的扩散系数很低，两种液体固化前不会混合在一起。在高压电场力作用下，壳层液体经高频拉伸，高速喷射时内外层溶液交界面将会产生强大的剪切应力，核溶液在剪切应力作用下，沿着壳层同轴运动，经拉伸变形固化成为超细同轴复合纳米纤维。在此基础上，把同轴纤维的核层溶掉，留下壳层材料，便可以得到中空的纤维。虽然同轴电纺技术的研究只有最近短短几年的时间，但由于制备的纤维具有独特的结构和功能，同轴纳米纤维在生物组织支架，药物释放，催化载体材料等很多方面比传统的单组分静电纺纤维有了更广阔的应用前景，已经受到越来越多的关注。
[0003]迄今为止，已探索出多种用于制备芯-壳结构纤维的技术，比如自组装法、模板合成法、激光消融法和基于静电纺丝技术的TUFT (tubes by bet templates)法等。但这些方法的制备过程和步骤往往较烦琐。使用同轴电纺技术则能够简便地制备出芯-壳结构的纳微米纤维。同轴电纺的原理和普通电纺相似，主要差异是把单一毛细管喷丝口改进为同心轴的复合毛细喷头。芯层材料和壳层材料的溶液分别装在两个推进容器中，壳层溶液在微量注射泵的驱动下进入复合喷丝装置内腔，然后从内外毛细喷丝口之间的环状空隙处流出；芯部溶液从内毛细喷头流出。因为直径较小内层毛细喷头置于直径较大外层毛细喷头内并保持同轴，所以壳层和芯部溶液在同轴纺丝装置内并不接触，而在同轴喷头端口处汇集并形成复合液滴，当接通高压电场，复合液滴表面马上富集大量电荷，当电荷聚集到一定程度在静电场力的作用下被拉伸成复合的Taylor锥,复合的Taylor锥被进一步牵伸后成芯-壳结构的喷射细流，由于在牵伸的过程中强烈的鞭动，随着溶剂在细流牵伸过程中快速挥发和喷射流的逐渐细化，最终芯-壳结构的超细纤维膜被收集在固定的接收装置上。
[0004]同轴静电纺纤维在催化、应用流体学、气体存储、能量转化、传感和环境保护等方面有着巨大的应用前景。静电纺丝法制备纳米纤维已成为当前制备纳米纤维的主要方法，并被认为是最有可能实现工业化生产纳米纤维的技术。现阶段关于同轴静电纺丝的研究虽取得了一定的突破，但目前该技术仍然停留在实验室阶段。这主要是由于两方面的原因:一是同轴静电纺理论研究还不是十分完善，如何得到包覆均匀的核-壳结构复合纳米纤维有的进一步解决；二是同轴静电纺丝装置的生产效率很低，不能满足大规模生产应用，设计高生产率同轴静电纺丝方法已成为新的研究方向。目前，同轴静电纺丝喷头主要是由内外2个同一轴心的针套针复合喷头，复合喷丝头由同轴的2个毛细管相互嵌套而成，内层与外层毛细管之间留有一定的缝隙以保证壳层液流的畅通，芯层液体通过内层毛细管在喷丝头尖端与壳层液流会合形成复合液滴。这种传统的针套针同轴喷丝头虽然容易制备，但却存在很大的缺陷。首先，针与针之间狭小细长的缝隙很容易使壳层溶液阻塞，不便于壳层溶液对芯层的包覆，也不便于清洗。其次，传统单针头单组分静电纺丝所存在的针-板式电场的不均匀性在此仍然存在，电场的不均匀也不利于同轴纤维的包覆及纺丝的顺利进行。最后，针套针同轴喷丝头不便于同轴纤维的大批量生产，生产效率低。
[0005]常用同轴静电纺丝喷头是主要是把传统静电纺丝的单一毛细管喷丝口改进为芯壳相套的同心轴复合毛细喷头，即我们所讲的针套针复合喷头。黄争鸣、张彦中(申请号:200310108130.9)利用一种共轴的针套针喷丝头(其内喷管和外喷管同轴)制得了具有广泛应用的超细共轴复合纤维。东华大学(申请号:200910048018.8)利用这种针套针壳一芯结构的同轴静电纺丝设备制备的壳一芯结构的纳米纤维可以同时负载两种或两种以上药物进行释放。湖南博弈飞装备新材料研究所(申请号:201220255003.6)利用具有两个进液口和一个复合喷头的同轴复合喷头来制备同轴纤维，但其复合喷头出丝口仍为壳管与芯管相套的针套针模式。针套针同轴复合喷头所形成的电场不均匀，壳层易包覆不匀或出现阻塞，且不易于同轴纤维的大批量生产。
【发明内容】
[0006]为解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种平板针孔结构的同轴静电纺纤维复合喷丝头，该方法改善了电场的均匀性，易于纤维壳层对核层的包覆，便于清洗，设备制造简单并且可以通过增加芯针及变换不同芯液，简单实现同轴纤维的大批量及多功能复合纤维的生产。
[0007]本实用新型的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，包括辅助喷丝板、导电电极、芯针和壳层输液通道，所述辅助喷丝板为带有一阶台阶且板面开有通孔的板，所述辅助喷丝板的通孔的出丝面处为二次曲面凹槽，所述导电电极置于所述辅助喷丝板的台阶上，所述导电电极与所述辅助喷丝板共同形成一个溶液腔；所述壳层输液通道插在所述导电电极中，且所述壳层输液通道与所述溶液腔连通；所述芯针固定于所述导电电极，所述芯针的一端插在所述辅助喷丝板的通孔中，且端头与所述辅助喷丝板通孔凹槽底面齐平；所述辅助喷丝板的材料为聚四氟乙烯树脂、聚酯树脂或聚丙烯树脂等任何具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性及低介电常数的塑料材料
[0008]作为优选的技术方案:
[0009]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述二次曲面为抛物面、椭球面或双曲面，固着复合液滴在板面上的位置，保持复合液滴泰勒锥形状的稳定，使纺丝顺利进行；根据所纺聚合物性质的不同，深度为0.1?5_，且小于通孔的长度，二次曲面与喷丝板的出丝面相交圆的直径为1?5mm,适于具体复合泰勒锥大小。
[0010]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述导电电极及芯针的材料是铜、铝或铁等任何导电性好易加工的金属材料；所述芯针的数量为2?100根。
[0011]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述导电电极为圆柱体或长方体；当所述导电电极为圆柱体时，所述芯针按同心圆或等节距分布；当所述导电电极为长方体时，所述芯针按矩形阵列或等节距分布。[0012]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述芯针与所述辅助喷丝板的通孔同轴，间隙为0.1~1.5mm ;所述芯针的针孔直径为0.1~1.5mm ;所述壳层输液通道的内孔直径为2~5mm。
[0013]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述溶液腔的高度即导电电极的端面与所述辅助喷丝板之间的间隙为0.1~1.5mm。
[0014]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述导电电极与所述辅助喷丝板贴合处设有长宽高各Imm的凹槽，并用O型圈密封；或者，所述芯针与所述导电电极接触处用密封胶粘合；所述壳层输液通道与所述导电电极接触处用密封胶粘合；所述密封胶为环氧树脂AB胶或几-498金属专用胶等绝缘性能好且固化后为非弹性固体的胶水。
[0015]采用本实用新型的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头纺丝时，将壳层纺丝液从所述壳层输液通道注入并使始终充满所述溶液腔，并从通孔中流出形成复合纤维的壳层；将核层纺丝液从所述芯针中注入，形成复合纤维的芯层；芯层壳层纺丝液在通孔凹槽内汇合，形成复合液滴；在导电电极上施加高压直流电场，电场强度为15千伏到45千伏；辅助喷丝板到接收板间距离为15厘米到45厘米；调节适当的电压及纺丝距离，复合液滴在电场力下，经高频拉伸、弯曲摆动到达接收板并固化形成芯一壳结构的超细复合静电纺丝纤维。
[0016]有益效果
[0017](I)本实用新型静电纺丝喷头与接收装置之间电场均匀，更容易制备均匀的同轴复合纤维，产量大，效率高，经济 效益好；
[0018](2)本实用新型静电纺丝喷头制造简单，便于检测维修和清洗，设备成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本实用新型的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头的结构示意图
[0020]图2是辅助喷丝板的剖面示意图
[0021]其中I是芯针 2是壳层输液通道3是导电电极
[0022]4是辅助喷丝板4.1是台阶4.2是通孔
【具体实施方式】
[0023]下面结合【具体实施方式】，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0024]如图1和2所示，是本实用新型的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，包括辅助喷丝板(4)、导电电极(3)、芯针(I)和壳层输液通道(2)，所述辅助喷丝板(4)为带有一阶台阶(4.1)且板面开有通孔(4.2 )的板，所述导电电极(3 )置于所述辅助喷丝板(4 )的台阶(4.1)上，所述导电电极(3 )与所述辅助喷丝板(4 )共同形成一个溶液腔；所述壳层输液通道(2 )插在所述导电电极(3 )中，且所述壳层输液通道(2 )与所述溶液腔连通；所述芯针Cl)固定于所述导电电极(3)，所述芯针(I)的一端插在所述辅助喷丝板(4)的通孔(4.2)中，且端头与所述辅助喷丝板(4)通孔凹槽底面齐平；所述辅助喷丝板的材料为聚四氟乙烯树脂、聚酯树脂或聚丙烯树脂等任何具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性及低介电常数的塑料材料
[0025]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述辅助喷丝板(4)的通孔(4.2)的出丝面处为二次曲面凹陷，所述二次曲面为抛物面、椭球面或双曲面，固着复合液滴在板面上的位置，保持复合液滴泰勒锥形状的稳定，使纺丝顺利进行；根据所纺聚合物性质的不同，深度为0.1?5mm，且小于通孔(4.2)的长度，二次曲面与喷丝板(4)的出丝面相交圆的直径为I?5mm,适于具体复合泰勒锥大小。
[0026]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述导电电极(3)及芯针
(I)的材料是铜、铝或铁等任何导电性好易加工的金属材料；所述芯针(I)的数量为2?100根。
[0027]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述导电电极(3)为圆柱体或长方体；当所述导电电极(3)为圆柱体时，所述芯针(I)按同心圆或等节距分布；当所述导电电极(3 )为长方体时，所述芯针(I)按矩形阵列或等节距分布。
[0028]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述芯针(I)与所述辅助喷丝板(4)的通孔(4.2)同轴，间隙为0.1?1.5mm;所述芯针(I)的针孔直径为0.1?
1.5mm ;所述壳层输液通道(2)的内孔直径为2?5mm。
[0029]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述溶液腔的高度即导电电极(3)的端面与所述辅助喷丝板(4)之间的间隙为0.1?1.5mm。
[0030]如上所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，所述导电电极(3)与所述辅助喷丝板(4)贴合处设有长宽高各Imm的凹槽，并用O型圈密封；或者，所述芯针(I)与所述导电电极(3 )接触处用密封胶粘合；所述壳层输液通道(2 )与所述导电电极(3 )接触处用密封胶粘合；所述密封胶为环氧树脂AB胶或几-498金属专用胶等绝缘性能好且固化后为非弹性固体的胶水。
【权利要求】
1.一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，其特征是:所述平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头包括辅助喷丝板(4)、导电电极(3)、芯针(I)和壳层输液通道(2)，所述辅助喷丝板(4)为带有一阶台阶(4.1)且板面开有通孔(4.2)的板，所述辅助喷丝板(4)的通孔(4.2)的出丝面处为二次曲面凹槽，所述导电电极(3)置于所述辅助喷丝板(4)的台阶(4.1)上，所述导电电极(3)与所述辅助喷丝板(4)共同形成一个溶液腔；所述壳层输液通道(2 )插在所述导电电极(3 )中，且所述壳层输液通道(2 )与所述溶液腔连通；所述芯针(I)固定于所述导电电极(3 )，所述芯针(I)的一端插在所述辅助喷丝板(4 )的通孔(4.2 )中，且端头与所述辅助喷丝板(4)的通孔(4.2)凹槽底面齐平；所述辅助喷丝板的材料为聚四氟乙烯树脂、聚酯树脂或聚丙烯树脂。
2.根据权利要求1所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，其特征在于，所述二次曲面为抛物面、椭球面或双曲面，深度为0.1?5mm，且小于通孔(4.2)的长度，二次曲面与喷丝板(4)的出丝面相交圆的直径为I?5mm。
3.根据权利要求1所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，其特征在于，所述导电电极(3)及芯针(I)的材料是铜、铝或铁；所述芯针(I)的数量为2?100根。
4.根据权利要求1所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，其特征在于，所述导电电极(3)为圆柱体或长方体；当所述导电电极(3)为圆柱体时，所述芯针(I)按同心圆或等节距分布；当所述导电电极(3)为长方体时，所述芯针(I)按矩形阵列或等节距分布。
5.根据权利要求1所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，其特征在于，所述芯针(I)与所述辅助喷丝板(4)的通孔(4.2)同轴，间隙为0.1?1.5mm;所述芯针(I)的针孔直径为0.1?1.5mm ;所述壳层输液通道(2)的内孔直径为2?5mm。
6.根据权利要求1所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，其特征在于，所述溶液腔的高度即导电电极(3)的端面与所述辅助喷丝板(4)之间的间隙为0.1?1.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，其特征在于，所述导电电极(3)与所述辅助喷丝板(4)贴合处设有长宽高各Imm的凹槽，并用O型圈密封；或者，所述芯针(I)与所述导电电极(3)接触处用密封胶粘合；所述壳层输液通道(2)与所述导电电极(3)接触处用密封胶粘合；所述密封胶为环氧树脂AB胶或JL-498金属专用胶。
【文档编号】D01D5/00GK203546218SQ201320630039
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】武会会, 曾泳春 申请人:东华大学